王柳

摘 要：早些年國內(nèi)外研究人員已經(jīng)對(duì)蒸發(fā)式冷凝器及空冷式冷凝器做了大量實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)得出了蒸發(fā)式冷凝器節(jié)水節(jié)能的顯著優(yōu)勢(shì)。而本文通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)冷凝溫度40℃時(shí)，上述兩種系統(tǒng)在各自允許的蒸發(fā)溫度工作范圍內(nèi)，蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)的制冷量、冷凝器排熱量、壓縮機(jī)做功及壓縮機(jī)軸功率等各種性能系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于空冷式冷凝系統(tǒng)，且蒸發(fā)式冷凝器的各項(xiàng)性能系數(shù)仍然略高于空冷式冷凝系統(tǒng)。所以，由于其卓越的節(jié)水性能，考慮到我國不同地區(qū)的降水及水域分布情況，蒸發(fā)式冷凝器還有較大的應(yīng)用場(chǎng)合。

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)式冷凝器;空冷式冷凝器;COP壓縮機(jī)功率;節(jié)能

中圖分類號(hào)：X513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）19-0060-04

Abstract： In earlier years， researchers at home and abroad have done a lot of experiments on evaporative condenser and air-cooled condenser， and obtained the obvious advantages of water saving and energy saving. This paper found that when the condensation temperature is 40°C， the two systems were within the scope of the allowed evaporation temperature， the performance coefficient of evaporative condenser was much better than that of air-cooled condenser， and the performance coefficient of evaporative condenser was still slightly higher than that of air-cooled condenser. Therefore， due to its excellent water-saving performance， considering the precipitation and water distribution in different regions of China， evaporative condenser has a large application.

Keywords： evaporative condenser;air cooled condenser;COP compressor power;energy conservation

中國共產(chǎn)黨第十九次全國代表大會(huì)提出了節(jié)能降耗和污染減排的目標(biāo)，并作為約束性指標(biāo)。因此，相關(guān)人員要充分認(rèn)識(shí)節(jié)能工作的重要意義，進(jìn)一步做好節(jié)能降耗工作。在該背景下，制冷行業(yè)的能耗問題也越來越受到重視，對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)與節(jié)能改造并制定一系列能效標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)節(jié)約能源十分重要。相對(duì)于傳統(tǒng)的風(fēng)冷式冷凝器，由于蒸發(fā)式冷凝器節(jié)能效果突出，故對(duì)于其在各種環(huán)境工況下的實(shí)驗(yàn)性能進(jìn)行研究也顯得尤為重要。

空氣冷卻式冷凝器簡(jiǎn)稱為風(fēng)冷式冷凝器，工作原理是通過空氣帶走制冷劑放出的熱量，制冷劑在管內(nèi)冷凝。蒸發(fā)式冷凝器是以水和空氣共同作為冷卻介質(zhì)，主要利用部分水蒸發(fā)時(shí)吸收制冷劑氣體的熱量實(shí)現(xiàn)制冷劑冷凝，工作原理是制冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)排出的制冷劑高壓過熱氣體經(jīng)過蒸發(fā)式冷凝器中冷凝排管，使高壓高溫氣態(tài)的制冷劑與排管外的噴淋水和空氣進(jìn)行熱交換。相當(dāng)于把殼管式冷凝器和水冷卻塔系統(tǒng)、水泵綜合為一體，具有能耗低、安裝簡(jiǎn)便、阻垢性能好的優(yōu)點(diǎn)[1，2]。

1 國內(nèi)外的研究成果

JIA S L[3]對(duì)蒸發(fā)式冷凝器和冷卻塔混合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)表明：蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)能有效降低冷凝溫度，有效減少換熱面積，節(jié)約器件成本。上海交通大學(xué)的劉洪勝等[4-6]人設(shè)計(jì)了一個(gè)10kW的蒸發(fā)冷凝式家用中央空調(diào)冷水機(jī)組，通過實(shí)驗(yàn)得出：蒸發(fā)式冷凝器比空冷式冷凝器節(jié)能20%以上。牛立軍等[7]人通過研究發(fā)現(xiàn)，由于蒸發(fā)式冷凝器充分利用蒸發(fā)潛熱帶走熱量，使冷凝溫度大體上接近設(shè)計(jì)濕球溫度，使壓縮機(jī)功耗最小，比空冷系統(tǒng)節(jié)省30%，相對(duì)空冷系統(tǒng)風(fēng)機(jī)功率減少60%～70%。宋印璽等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)，將蒸發(fā)式冷凝器應(yīng)用在余熱發(fā)電系統(tǒng)中，可降低凝結(jié)水溫度，從而提高熱力循環(huán)效率和發(fā)電機(jī)組的整體性能。與濕冷系統(tǒng)相比，僅循環(huán)水泵就能節(jié)水達(dá)50%以上，節(jié)電60%以上。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由往復(fù)式壓縮機(jī)、冷凝器、熱力膨脹閥等組成。圖1為蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)的流程圖。當(dāng)系統(tǒng)需要在空冷式冷凝系統(tǒng)條件下運(yùn)行，則關(guān)閉蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)循環(huán)水泵并把系統(tǒng)內(nèi)的水排干凈。設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行工況：系統(tǒng)冷凝溫度40℃。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

穩(wěn)定系統(tǒng)冷凝溫度在40℃的情況下，對(duì)于空冷式冷凝系統(tǒng)，當(dāng)蒸發(fā)溫度超過-22℃時(shí)，系統(tǒng)所需風(fēng)量將超過風(fēng)機(jī)額定容量。因此，空冷式冷凝系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度無法超過-22℃。

圖2中上、下圖顯示了系統(tǒng)制冷量以及冷凝器排熱量隨蒸發(fā)溫度改變而變化的趨勢(shì)。從圖2上圖可以看出，在兩個(gè)系統(tǒng)各自的工況允許范圍內(nèi)，蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)的制冷量平均遠(yuǎn)高于空冷式冷凝系統(tǒng)。設(shè)置蒸發(fā)溫度為-24℃，對(duì)比兩系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：此時(shí)蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)1）制冷量為210W，空冷式冷凝系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)2）制冷量為170W，系統(tǒng)1的制冷量比系統(tǒng)2制冷量高23.5%;而圖2下圖顯示：在兩系統(tǒng)各自工作允許的工況范圍內(nèi)，與空冷式冷凝器相比，蒸發(fā)式冷凝器的排熱量均相對(duì)較高，在蒸發(fā)溫度為-2℃時(shí)，蒸發(fā)式冷凝器的排熱量達(dá)到910W，而空冷式冷凝器的排熱量則由于系統(tǒng)蒸發(fā)溫度的限制，仍然停留在190W，兩者此時(shí)的排熱量形成了較為明顯的數(shù)據(jù)差值，而排熱量較低的空冷式冷凝系統(tǒng)顯然不利于提高換熱效率，因而其使用性能遠(yuǎn)弱于蒸發(fā)式冷凝器系統(tǒng)。究其原因，系統(tǒng)2的冷凝器傳熱系數(shù)較低，導(dǎo)致系統(tǒng)不能充分與冷卻介質(zhì)進(jìn)行熱量交換，排熱量最低。解決此問題的直接簡(jiǎn)單的方法是提高系統(tǒng)風(fēng)量，但增大風(fēng)機(jī)容量又會(huì)出現(xiàn)新的問題，其中最值得注意的是能耗增高和噪聲增大問題。

功率與蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系

圖3中上、中、下圖分別顯示了系統(tǒng)壓縮機(jī)做功、壓縮機(jī)電機(jī)的輸入電功率、壓縮機(jī)軸功率與蒸發(fā)溫度的變化關(guān)系。從圖3上圖可以看出，蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)中，壓縮機(jī)所做的功最多，導(dǎo)致制冷劑吸收的熱量也最多，進(jìn)一步驗(yàn)證圖2的結(jié)果。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-24℃時(shí)，與系統(tǒng)1相比，系統(tǒng)2制冷量較低，系統(tǒng)1中壓縮機(jī)對(duì)制冷劑所做壓縮功為80W，系統(tǒng)2中壓縮機(jī)對(duì)制冷劑所做壓縮功為61W，做功相比之下低了23.7%。圖3圖中顯示：當(dāng)蒸發(fā)溫度為-24℃時(shí)，系統(tǒng)1中壓縮機(jī)所需功率為375W，系統(tǒng)2中壓縮機(jī)所需要電功率為350W，相比之下低了6.7%。圖3下圖表明了兩系統(tǒng)中壓縮機(jī)軸功率比較結(jié)果。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-24℃時(shí)，系統(tǒng)1中軸功率為180W，系統(tǒng)2中軸功率為160W，相比之下軸功率低了11.1%。所以，從以上數(shù)據(jù)可看出，同溫度工況下的蒸發(fā)式冷凝器性能均略高于空冷式冷凝器，其他工況下蒸發(fā)式冷凝器的性能優(yōu)勢(shì)則更是明顯。

性能指數(shù)COP及冷凝器熱阻系數(shù)HRF的比較結(jié)果

圖4是空冷式冷凝系統(tǒng)及蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)基于壓縮機(jī)做功的性能指數(shù)COP的對(duì)比結(jié)果及此兩種冷凝系統(tǒng)的冷凝器熱阻系數(shù)HRF（將凝器的排熱量與蒸發(fā)器的制冷量的比值定義為HRF）的比較結(jié)果。從圖4上圖可以看出，在兩系統(tǒng)的各運(yùn)行工況下，系統(tǒng)1的COP均相對(duì)較高;在蒸發(fā)溫度為-24℃的相同工況下，系統(tǒng)1的COP為2.8，系統(tǒng)2的COP為2.5，即此時(shí)蒸發(fā)式冷凝器的COP比空冷式冷凝器的COP高出13.6%。由于制冷量最低，因此系統(tǒng)2的HRF值最高。從圖4下圖可以看出，在各種工況下系統(tǒng)2的HRF值均高于系統(tǒng)1，而且，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-24℃時(shí)的相同工況下，兩系統(tǒng)的HRF分別是：系統(tǒng)2的HRF為1.39，系統(tǒng)1的HRF為1.35，兩系統(tǒng)的HRF的差值高達(dá)3%。由于HRF代表的是熱阻系數(shù)，故與COP等系數(shù)恰巧相反，數(shù)值越小表示系統(tǒng)性能越佳，越大則性能越差。故從性能系數(shù)HRF之比上也能看出蒸發(fā)式冷凝器系統(tǒng)的優(yōu)越換熱性能。

圖5為此兩種系統(tǒng)基于壓縮機(jī)電機(jī)輸入的電功率及壓縮機(jī)軸功率性能指數(shù)COP的對(duì)比結(jié)果。由于系統(tǒng)2的能量利用率較高，因此其COP也較高。從圖5上圖可見，兩系統(tǒng)在各種工況下，蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)的基于軸功率的COP遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于而空冷式冷凝系統(tǒng)，其中，當(dāng)蒸發(fā)溫度為-24℃時(shí)，蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)基于軸功率的COP在1.18，空冷式冷凝系統(tǒng)基于軸功率的COP為0.95，系統(tǒng)1比系統(tǒng)2的基于軸功率COP高出24.2%。從圖5下圖中可以得出：在兩個(gè)系統(tǒng)各自的工作范圍內(nèi)，蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)基于壓縮與電功率的COP數(shù)值明顯高于各個(gè)工況下空冷式冷凝器基于壓縮機(jī)電功率的COP，在蒸發(fā)溫度小范圍區(qū)域相同的情況下（即Te為-24～-22℃），蒸發(fā)冷式冷凝系統(tǒng)的基于壓縮機(jī)電功率COP仍高于空冷式冷凝系統(tǒng)的COP。當(dāng)蒸發(fā)溫度為-24℃時(shí)，系統(tǒng)1的COP為0.58，系統(tǒng)2的COP為0.45，相比之下高出28.9%。此次的對(duì)比結(jié)果再次說明了蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)越工作性能。

4 結(jié)論

當(dāng)冷凝溫度40℃時(shí)，此兩種系統(tǒng)在各自允許的蒸發(fā)溫度工作范圍內(nèi)，蒸發(fā)式冷凝系統(tǒng)的制冷量、冷凝器排熱量、壓縮機(jī)做功及壓縮機(jī)軸功率等各種性能系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于空冷式冷凝系統(tǒng);在蒸發(fā)溫度相同的范圍內(nèi)，蒸發(fā)式冷凝器的各項(xiàng)性能系數(shù)仍然略高于空冷式冷凝系統(tǒng)。以上數(shù)據(jù)再次驗(yàn)證了蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)越工作性能。由于空冷式冷凝器冷凝能力受限于環(huán)境干球溫度，而蒸發(fā)式冷凝器受限于環(huán)境濕球溫度，因此，同空冷式冷凝器相比，蒸發(fā)式冷凝器冷凝溫度較低，而冷凝溫度每升高1℃，單位制冷量的耗電量將增加3%～3.5%，所以采用蒸發(fā)式冷凝器總功耗也會(huì)顯著降低，節(jié)能效果明顯。

通過調(diào)查美國和加拿大62個(gè)公用冷庫制冷裝置可以發(fā)現(xiàn)，蒸發(fā)式冷凝器的應(yīng)用約占81%。從20世紀(jì)80年代起，我國化工行業(yè)和食品冷庫工程也開始采用蒸發(fā)式冷凝器代替水冷式冷凝器，20多年來的應(yīng)用實(shí)踐證明其有明顯節(jié)能效果。由于蒸發(fā)式冷凝器卓越的節(jié)水性能，考慮到我國不同地區(qū)的降水及水域分布情況，尤其是在西部缺水地域，蒸發(fā)式冷凝器還有較多應(yīng)用場(chǎng)合，如現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于中西部地區(qū)戈壁發(fā)電的鍋爐降溫設(shè)備等。與風(fēng)冷式冷凝器相比，蒸發(fā)式冷凝器的安裝空間可節(jié)約1/2以上，且安裝工藝簡(jiǎn)單易操作，安裝工期短，這在施工方面極大地減少了工程預(yù)算成本。需要注意的是，要按要求定期對(duì)蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行維護(hù)清洗，提高設(shè)備的換熱效率，延長使用壽命，更好地達(dá)到節(jié)能效果。

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